Динамика сложных квантовых систем и полет пчелы
Квантовый симулятор дает представление о динамике сложных квантовых систем.
На первый взгляд может показаться, что система, состоящая из 51 иона, легко управляема. Но даже если эти заряженные атомы только переключаются между двумя состояниями, результатом будет более двух квадриллионов (1015 ) различных порядков, которые может принять система.
Поведение такой системы практически невозможно рассчитать с помощью обычных компьютеров, тем более что возбуждение, введенное в систему, может распространяться беспорядочно. Возбуждение следует статистической закономерности, известной как полет Леви.
Характерной чертой таких движений является то, что в дополнение к ожидаемым меньшим скачкам иногда имеют место и значительно большие скачки. Это явление также можно наблюдать в полетах пчел и в необычных бурных движениях на фондовом рынке.
Моделирование квантовой динамики: традиционно сложная задача
В то время как моделирование динамики сложной квантовой системы является очень сложной задачей даже для традиционных суперкомпьютеров, задача для квантовых симуляторов является детской игрой. Но как можно проверить результаты квантового симулятора, не имея возможности выполнять те же вычисления, что и он?
Наблюдение за квантовыми системами показало, что можно представить, по крайней мере, долгосрочное поведение таких систем с помощью уравнений, подобных тем, которые братья Бернулли разработали в 18 веке для описания поведения жидкостей.
Чтобы проверить эту гипотезу, ученые использовали квантовую систему, моделирующую динамику квантовых магнитов.
Они смогли использовать ее, чтобы доказать, что после начальной фазы, в которой преобладают квантово-механические эффекты, система действительно может быть описана уравнениями типа, известного из гидродинамики.
Кроме того, они показали, что та же статистика полета Леви, которая описывает стратегии поиска, используемые пчелами, также применима к гидродинамическим процессам в квантовых системах.
Захваченные ионы как платформа для управляемого квантового моделирования
Квантовый симулятор был создан в Институте квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) Австрийской академии наук Инсбрукского университета.
«Наша система эффективно имитирует квантовый магнит, представляя северный и южный полюса молекулярного магнита с использованием двух энергетических уровней ионов», — говорит ученый IQOQI из Инсбрука Манодж Джоши.
«Нашим самым большим техническим достижением стало то, что нам удалось индивидуально воздействовать на каждый из 51 иона», — отмечает Манодж Джоши.
«В результате мы смогли исследовать динамику любого желаемого количества начальных состояний, что было необходимо для того, чтобы проиллюстрировать возникновение гидродинамики».
«Хотя количество кубитов и стабильность квантовых состояний в настоящее время очень ограничены, есть вопросы, для решения которых мы уже сегодня можем использовать огромную вычислительную мощность квантовых симуляторов», — говорят ученые.
«В ближайшем будущем квантовые симуляторы и квантовые компьютеры станут идеальными платформами для исследования динамики сложных квантовых систем. Теперь мы знаем, что через определенный момент времени эти системы подчиняются законам классической гидродинамики. Любые сильные отклонения от этого являются признаком того, что симулятор работает неправильно».
Исследование было опубликовано в журнале Science.